Несущая система автомобиля является основанием, на котором монтируют двигатель, агрегаты трансмиссии, механизмы органов управления, дополнительное и специальное оборудование, а также кабину и кузов. Под словом «кузов» в автостроении в большинстве случаев понимают пространство для размещения основного объекта перевозок. Несущая конструкция автомобиля воспринимает различные виды нагрузок: нагрузки, связанные с массой узлов и агрегатов, установленных на ней, а также массой пассажиров и груза, и динамические нагрузки, возникающие при движении автомобиля по неровной дороге и при изменении режимов работы двигателя. В исключительных случаях, например при дорожно-транспортных происшествиях, несущая конструкция воспринимает нагрузки аварийного характера.
Основное назначение несущей конструкции состоит в объединении в единое целое всех частей автомобиля в процессе его функционирования.
Несущая система является одной из наиболее ответственных, материалоемких и дорогостоящих систем автомобиля. Если материалоемкость, стоимость и сложность изготовления всего автомобиля принять за 100 %, то несущая система может составлять более 50 % от этого.
Несущие системы подразделяются на рамные, кузовные (безрамные) и рамнокузовные. В рамных автомобилях роль несущей системы выполняет рама (рамно-несущая система). В безрамных автомобилях функции несущей системы выполняет кузов (кузовная несущая система), который называется несущим.
Рамные конструкции (рис. 2.1, а) применяют преимущественно для грузовых автомобилей, прицепах и полуприцепах, на легковых автомобилях повышенной проходимости, большого и высшего классов и на отдельных автобусах. Несущая система автомобилей-самосвалов, кроме основной рамы, включает еще дополнительную укороченную раму — надрамник, на котором устанавливается грузовой кузов и крепятся устройства подъемного механизма. Безрамные применяют для легковых автомобилей и автобусов. При безрамной конструкции функции несущей системы выполняет кузов.
Рамная несущая система проста по конструкции, технологична при производстве и ремонте, а также универсальна, так как обеспечивает унификацию обычных и специальных автомобилей. Кроме того, рамная несущая система позволяет выпускать на одном шасси различные по кузову модификации автомобиля.
Кузовная несущая система (рис.2.1, б) применяется на легковых автомобилях особо малого, малого и среднего классов, а также на большинстве современных автобусов. Кузовная несущая система позволяет уменьшить массу автомобиля, его общую высоту, понизить центр тяжести и, следовательно, повысить его устойчивость. Однако кузовная несущая система не обеспечивает хорошей изоляции пассажирского салона от вибрации и шума работающих агрегатов и механизмов, а также от шума шин, возникающего при их качении по поверхности дороги.
Рамно-кузовная несущая система (рис.2.1, в) применяется только на автобусах. При рамно-кузовной несущей системе кузов 1 автобуса не имеет основания. Рама 2 и основание кузова объединены в единую конструкцию. Шпангоуты (поперечные дуги) каркаса кузова жестко прикрепляются к поперечинам рамы. Рама и каркас кузова работают совместно, принимая на себя все нагрузки. Рамно-кузовная несущая система имеет простую конструкцию, технологична при производстве и удобна в ремонте. По сравнению с рамной несущей системой рамно-кузовная имеет несколько меньшую массу кузова и более низкую высоту пола.
а — рамная; б — кузовная; в — рамно-кузовная; 1 — кузов; 2 — рама
Рама. Рама служит для установки и крепления кузова и всех систем, агрегатов и механизмов автомобиля. Рама является одной из ответственных и наиболее металлоемких частей автомобиля. Различают рамы лестничного (лонжеронного) типа и хребтового типа.
Рама первого типа (рис. 2.2, а) сделана по типу лестницы из профильных продольных составляющих, к которым присоединены поперечные составляющие.
В редких случаях на грузовых автомобилях применяется так называемая хребтовая рама (рис. 2.2, г), представляющая собой стальную трубу большого диаметра, проходящую вдоль автомобиля по его продольной оси. Внутри трубы размещается карданная передача. Ведущие мосты автомобиля в этом случае имеют подрессоренные редукторы, от которых крутящий момент подводится к колесам качающимися полуосями.
а – рама лестничного типа (лонжеронная); б – соединения элементов рамы с отштампованным концом поперечины; в – соединения элементов рамы с U-образной поперечиной; г – рама хребтового типа; 1 – задний противооткатный брус; 2 – задняя поперечина; 3 – лонжерон; 4 – поперечина; 5 – угловая пластина; 6 – боковая защита; 7 – буфер; 8 – защита радиатора и картера
В грузовых автомобилях преимущественное распространение нашла рама лестничного (лонжеронного) типа. Такая рама состоит из двух лонжеронов 3 (продольных балок), которые соединены между собой отдельными поперечинами 4. Лонжероны отштампованы из листовой стали и имеют швеллерное сечение переменного профиля. Высота профиля наибольшая в средней части лонжеронов, где они более всего нагружены. В зависимости от типа автомобиля и его компоновки лонжероны могут быть установлены один относительно другого параллельно или под углом, а также могут быть изогнуты в вертикальной и горизонтальной плоскостях. К лонжеронам обычно приклепывают различного рода кронштейны для крепления кузова, устройств подвески колес, механизмов трансмиссии, систем управления и др. Поперечины, как и лонжероны, выполнены штампованными из листовой стали. Они имеют форму, обеспечивающую крепление к раме соответствующих агрегатов и механизмов. Размеры продольных и поперечных элементов выбираются так, чтобы выдерживать жесткие условия эксплуатации и требования к грузоподъемности (легкие и тяжелые грузовые автомобили), а также с учетом стоимости и массы. Выбор профилей разных сечений (количество и толщина) определяет уровень жесткости на кручение. Крутильно-гибкие рамы являются предпочтительными для грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности, поскольку они облегчают работу подвески на неровной дороге. Крутильно-жесткие рамы более подходят для грузовых автомобилей и автофургонов, имеющих небольшие размеры.
Помимо мест приложения нагрузки, критическими местами конструкции рамы являются участки соединения боковых и поперечных элементов (рис. 2.2 б, в). Специальные пластины для соединения или отштампованные концы поперечных элементов образуют широкое основание соединения. Узловые соединения крепятся заклепками, болтами и при помощи сварки. Дополнительное усиление в специфических точках осуществляется посредством вставок в виде уголка или швеллера.
Рама также служит для размещения широкого спектра навесных деталей – топливных баков, держателей аккумуляторных батарей, воздушных баллонов, системы выпуска ОГ, запасного колеса. Специальные установки, такие как подъемные краны и платформенные подъемники, тоже монтируются на раму для соответствующих областей применения.
Конструкция рамы предусматривает снижения последствий от ДТП.
Во время столкновения происходит деформация кузова транспортного средства, причем степень деформации в основном зависит от скорости до столкновения и жесткости кузова в точке контакта во время столкновения. С точки зрения пассивной безопасности очень важна совместимость транспортных средств. Последняя тесно связана с конструкцией рамы и кузова, а также с расположением агрегатов на раме. Обычно предполагается, что транспортные средства совместимы, если глубина деформации у обоих транспортных средств одинакова во время столкновения. Получить совместимость автомобиля с существенно различными размерами, весом и жесткостью кузова сложно.
На рис. 2.3 показан ход деформации тел при столкновении двух автомобилей, тела которых имеют разную жесткость. Наклон сегмента 0-1 указывает, что автомобиль A имеет более твердое тело, чем автомобиль B. Вначале деформация кузова пропорциональна силе столкновения (сегмент 0-1). Если значение силы столкновения достигнет уровня I, то в автомобиле В будет вдвое больше деформация тела, чем в автомобиле А, и нарушение «пространства выживания» (деформация тела на глубину 1-2), в то время как тело машина А есть ли еще возможность деформации, не нарушающей «жизненного пространства». Следовательно, кузова автомобилей А и В не имеют совместимой жесткости. Избыточная жесткость будет совместима, если уровни I и II одинаковы для обоих автомобилей.
А, В – кузова автомобилей; Р – сила удара; S – величина деформации; I. II — уровни
Типичная защита от прямого удара – бамперы. В результате столкновения бампер косвенно переносит нагрузку на раму автомобиля, таким образом, смягчает удар, рассеивая энергию в результате собственной деформации. В зависимости от значения нагрузки, бампер может деформироваться пружинисто или упруго. В случае наклонного столкновения с легковым автомобилем задача бампера состоит в том, чтобы отклонить пассажирский автомобиль от разорванного движения грузовика, что позволяет избежать чрезмерного разрушения кузова легкового автомобиля. Коммерческие автомобили обычно оснащены бамперами, жестко прикрепленными к раме автомобиля. Они обычно представляют собой стальные элементы подходящей формы с высокой прочностью и значительной жесткостью. Такая конструкция бампера эффективно предохраняет переднюю и заднюю часть автомобиля. Более эффективны гибкие и абсорбирующие буферы. Первый соединен с пружинным элементом, а второй – с элементами, способными увеличивать часть энергии удара, например, резиной, специальными пластмассами, гидравлических или гидропневматических амортизирующих элементов.
Коммерческие транспортные средства (грузовые автомобили, прицепы и полуприцепы) должны иметь меры безопасности на их ширину и высоту, чтобы они не могли попасть под автомобили меньшего размера. Именно поэтому должны быть расположены бамперы и энергопоглощающие зоны легковых и грузовых автомобилей на той же высоте (рис. 2.4).
Защитой от повреждений может быть введение защитных элементов в виде защитных ограждений, расположенных спереди, сбоку и сзади автомобиля. Цель этих ограждений состоит в том, чтобы уменьшить вероятность прохождения под рамой автомобиля для пешеходов, велосипедистов, мотоциклистов и легковых автомобилей. Использование системы безопасности в передней части отключенного автомобиля положительно влияет на защиту. компоненты рулевого управления при ДТП. Защитное ограждение, показанное на рисунке 2.5, a, используется в передней части шасси и состоит из: из балки 1 изготовлена из высокопрочной стали. опор 2 соединенных с лонжероном 3.
a – переднее ограждение, b – заднее ограждение крышка, c – заднее амортизирующее ограждение в разложенном и сложенном состоянии 1 — балка, 2 — опора, 3 — лонжерон рамы
Точно так же устройства безопасности оборудуются на задней части автомобиля. На некоторых автомобилях задняя балка соединена с рамой с применением одноразовых «амортизаторов», способных поглощать значительную энергию при столкновении. Эти амортизаторы смягчают эффекты столкновения значительно больше, чем бамперы, жестко прикрепленные к раме.
Расстояние между задним крепежным устройством и землей не должно превышать 550 мм по всей ширине автомобиля, в то время как ширина не должна превышать ширину задней оси, измеренную в крайних точках колес, и не должна быть короче ее более 100 мм с каждой стороны. Высота поперечного сечения защитного устройства должна быть не менее 100 мм. Боковые концы поперечины не должны быть согнуты назад. Устройство также должно соответствовать определенным требованиям по прочности.
Контрольные вопросы к подразделу 2.1
1. Какие схемы несущих систем автомобилей применяются при производстве, грузовых автомобилей, легковых автомобилей и автобусов?
2. Какие типы рам применяются в грузовых автомобилях?
3. Расскажите из каких элементов состоит рама грузового автомобиля.
4. Что представляют собой охранные ограждения грузовых автомобилей?